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利用開源軟件無線電SDR 應對無人機威脅

2019-10-12 07:06 ? 次閱讀

近年來,隨著無人機技術的不斷革新,無人機制造成本不斷下降、性能不斷提升,其已逐漸從軍用和高端商用走向大眾市場。無論是京東、順豐使用無人機遞送包裹,還是奧運會滑雪項目啟用無人機自動跟拍,這一切都說明商用無人機正變得無處不在。無人機的出現使許多應用從中受益,包括體育賽事轉播以及野生動物保護區調研自動化。基于強大的智能軟件,無人機的價格越來越低,操作也越來越簡便,而且續航時間較長。目前無人機廣泛應用于公共安全、醫療救援、安防監控、森林防火、地質勘探等行業。

USRP X310無人機測試

無人機帶來的風險及威脅

在無人機技術日漸成熟、應用越來越廣泛的同時,也暴露出嚴重的安全隱患和管理漏洞,對維護社會安全、社會穩定和公共秩序構成了現實威脅。

與其他高科技技術一樣,無人機也是不法分子的青睞對象,他們也在嘗試利用無人機來達到不可告人的目的。近年來已經出現商用無人機被用于執行不必要的監視,甚至擾亂了空域安全和秩序。比如前段時間歐洲新聞媒體報道的機場入侵事件。這些事件引發了無人機防御需求,而隨著威脅事件發生頻率和復雜性的不斷增加,這一需求也在迅速增加。

目前,許多研究人員也在努力開發無人機防御系統來對抗這些不法分子。大多數無人機防御系統利用各種技術來探測和消除威脅。這些系統都會使用有源和無源雷達,部分系統采用光學偵測技術。對抗措施也多種多樣,包括非破壞性通信攔截、GPS干擾以及導彈擊落或高功率定向激光炮擊落等破壞性措施。

無人機防御系統的主要技術挑戰

每年都有許多更智能的新型商用無人機面世,其搭載的指揮控制(C2)和導航系統也越來越復雜。如今,主動回避障礙物以及自主控制已經是無人機的常見功能。當無人機不受飛行員直接控制時,就難以實行C2對抗措施;因此,通常會采用欺騙或干擾的手段來破壞或關閉GPS信號。主動遠程駕駛無人機可以提供各種通信方法,比如基本模擬調制以及基于加密指令的高度安全數字鏈路。過去往往使用傳統的高功率干擾技術;然而,這種做法不分敵友,可能會對友軍造成相當大的破壞,并可能危及隱秘行動 - 更不用說會觸及許多國家的監管條例。要使單個防御系統能夠靈活地適應不同的C2干擾方法,是一個相當大的挑戰。

第一個難點是如何跟上不斷變化的技術以及快速部署新威脅對抗措施?由于傳統的自研自產國防項目開發周期非常漫長,已經無法適應時代需求,許多系統開始轉向商用現成技術來加快部署速度,以便系統設計人員可以專注于研究威脅對抗措施而不是硬件實現。

其次是移動性問題:雖然基地保護很重要,但許多軍事運營商需要在偏遠地區的車輛上部署有效的對抗措施解決方案。很多時候,他們的軍用車無法容納全尺寸雷達系統(包括攝像機和破壞性對抗措施裝置)。而且移動系統必須具有隱蔽性并能夠在執行任務中長時間運行;最終所有問題都歸結于SWaP(尺寸、 重量和功耗)。選擇一個可以從原型驗證擴展到部署并滿足SWaP和無線電性能標準的平臺至關重要。

基于開源軟件無線電SDR 防御方案

為了應對技術發展和SWaP挑戰, SkySafe公司基于NI SDR技術,結合USRP X310和開源軟件開發了一個高性能無人機防御系統,經證明,該系統可以應對快速變化的威脅并滿足外形尺寸要求。該系統將NI SDR與開源軟件相結合,使得SkySafe只需通過部署新算法,即可快速適應不斷變化的威脅,大幅減少了新功能的部署時間和成本。SkySafe解決方案的核心在于其專有的創新軟件無線電算法。

SkySafe無人機防御系統結合了NI Ettus Research USRP X310 SDR、GNU Radio開源框架和RFNoC(一個靈活的FPGA框架)。USRP X310提供的靈活性使其非常適用于快速開發、高度適應的低功耗移動應用。 SkySafe首席技術官Scott Torborg表示,“NI Ettus Research USRP X310是唯一一款兼具開放性和原始RF和DSP功能的商用SDR,可滿足快速變化的無人機威脅對抗需求。”

USRP X310是一款高性能的,服務于下一代軟件無線電設計和開發的軟件無線電設備。在硬件架構上結合了兩個擴展帶寬的子槽覆蓋DC - 6 GHz,具有高達120 MHz的基帶帶寬,多種高速接口選項(PCIe,萬兆口,千兆口),以及一個資源豐富,用戶可編程的Kintex-7 FPGA組成。除了提供最好的一流的硬件性能,USRP X310的開源軟件體系結構提供了跨平臺的UHD驅動程序的支持,使得它擁有大量的開發框架,兼容的參考架構,以及開源項目。

為了解決外形尺寸和堅固性問題,SkySafe解決方案將USRP X310的封裝改造成堅固的車載外殼。SkySafe在從一開始設計該解決方案時,就將環保和系統堅固性考慮在內,而NI為改造USRP X310提供的支持是滿足SkySafe環境要求的關鍵。

NI完整的軟件無線電解決方案

2010年,NI(恩艾儀器)收購了Ettus,因為Ettus的USRP在開源界的名氣很高,所以一直作為NI的子品牌使用。在無線射頻、5G領域SDR系統起著至關重要的作用,很多公司都可以提供Massive MIMO相關硬件,但除了NI之外,很少有公司能夠提供一個Massive MIMO原型驗證平臺。因為硬件搭建容易,軟件調試需要大量時間。USRP由于其性價比和小尺寸,不光可用在6GHz以下的5G原型驗證、頻譜分享等應用,在更廣的領域NI SDR硬件平臺還可以進行毫米波的研發等應用。除此之外,USRP在中國教育市場也頗受好評。

除USRP N310平臺此之外,NI也曾經收購BEEcube,是基于開源BPS平臺的公司,為高性能FPGA原型開發提供的產品和部署方案。

隨著認知無線電、AI技術、處理器技術的興起,無線電一定是變得越來越智能的,會出現自主的無線電傳輸平臺,與之配套的測試方案也要變得智能。作為平臺化供應商,NI需要不斷地探索新的技術領域,通過集成不同軟硬件,幫助客戶創新未來。

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